Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок

• Название: Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок
• Дата: 24.05.2023
• Размер: 2.3 Mb.
• Имя файла: Lekcii_TK_TU.pdf
• Тип: Курс лекций; #1155929
• страница: 3 из 12

2.2. Пользовательские функции
2.2.1. Основные пользовательские функции
Телеконтроль (ТК, telemonitoring) – наблюдение за состоянием контролируемых процессов и оборудования.
Составляющими телеконтроля являются:

телеизмерение (ТИ, telemetering) – передача по каналам связи значений непрерывно изменяющихся параметров контролируемых процессов;

телесигнализация (ТС, teleindication) – передача дискретных сигналов о состоянии контролируемого оборудования. Чаще всего при ТС осуществляется передача позиций двухпозиционных объектов
(включено / выключено).
Телеуправление (ТУ, telecomand) – передача по каналам связи команд от диспетчера (оператора) к коммутационным аппаратам для изменения положения оперативного оборудования (включить/выключить – ручное
(дистанционное) управление).
Телерегулирование (ТР, teleregulation) – передача управляющих воздействий типа «больше/меньше», «прибавить/убавить» и других от диспетчера к регулятору, установленному на КП.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №2 «Функции телемеханики»
24 2.2.2. Вторичные пользовательские уровни
Вторичные пользовательские функции предназначены для обеспечения оператора (диспетчера) информацией, удобной для использования. Эти функции не всегда чѐтко определены, так как их состав зависит от возможностей приѐмных устройств ТМ (телемеханики) по обработке данных основной информации (ТИ, ТС и т.д.).
Вторичные пользовательские функции могут выполняться как собственно микропроцессорными устройствами телемеханики (УТМ), так и отдельной мини – или микро – ЭВМ. Объѐм функций, выполняемых УТМ, зависит от объѐма памяти и наличия соответствующего программного обеспечения.
Типовые вторичные пользовательские функции:
1. Суммирование ТИ и образование обобщѐнных сигналов ТС автоматически или по заданию диспетчера;
2. Указание пределов контролируемых переменных;
3. Автоматическая регистрация событий с указанием времени;
4. Контроль каналов связи и устройств ТМ с регистрацией ошибок и неисправностей;
5. Формирование графиков плановых и текущих значений контролируемых переменных;
6. Формирование оперативных схем и форм представления информации на экранах дисплея с указанием текущих значений информации ТИ и
ТС;
7. Обеспечение диалога оператор – система ТМ;
8. Оценка состояния контролируемого процесса в реальном времени.
2.3. Функции оперативной обработки сигналов.
Эта группа функций охватывает обработку сигналов входа/выхода на КП и ПУ с целью повышения эффективности и надѐжности выполнения пользовательских функций.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №2 «Функции телемеханики»
25
К типовым функциям оперативной обработки относятся:
1. Обеспечение заданного интерфейса сигналов входа-выхода между
УТМ и контролируемым процессом на КП, и УТМ и оператором на ПУ
(ДП), включая фильтрацию входных сигналов от действия помех, дребезга контактов реле и ключей датчиков информации;
2. Формирование сигналов начала передачи (например, при изменении состояния контролируемых объектов);
3. Защита от ошибок датчиков и от помех во входных и выходных цепях
УТМ;
4. Сжатие данных на входе и выходе УТМ;
5. Представление сигналов выхода в форме, удобной для отображения на пользовательском уровне.
2.4. Функции транспортировки (передачи сообщений)
В соответствии с основным назначением систем телемеханики в энергетике – контроль и управление процессами производства и распределения электроэнергии на расстоянии – функции передачи сообщений между контролируемыми и контролирующими станциями являются определяющими во всей системе телемеханики.
Типовые функции передачи сообщений, которые выполняются на транспортном (включая сеть) и более низких уровнях передачи (уровни 1–4), должны обеспечивать:
1. Высокую достоверность (целостность) доставки сообщений по каналам связи в условиях высокого уровня помех, вызываемых электромагнитным влиянием высоковольтных линий электропередачи, коммутационными явлениями в силовых цепях и пр.;
2. Малое время телепередачи для обеспечения режима реального времени при контроле технологического процесса и управлении им;
3. Высокую эффективность использования каналов связи в условиях ограниченной частотной полосы пропускания каналов.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №2 «Функции телемеханики»
26
Главное препятствие для удовлетворения этих требований – их противоречивость (достоверность ↑ → время ↑ → эффективность ↓): обеспечение высокой достоверности передачи данных связано с увеличением времени и снижением эффективности телепередачи, повышение эффективности путѐм удлинения кодовых блоков приводит к потере большого объѐма информации в условиях повышенного уровня помех и как следствие – к увеличению времени доставки сообщений и т.п.
Поэтому функции передачи сообщений должны обеспечивать разумный компромисс между этими противоречивыми требованиями.
Для выполнения данных требований решается следующий круг
задач:
На транспортном уровне (включая сеть):
1. Разделение сообщений на блоки и введение коротких блоков для экстренных сообщений;
2. Введение приоритетов передачи и управление этими приоритетами, разделение передаваемых данных по классам обслуживания (классы диалоговых процедур);
3. Обеспечение резервного пути доставки сообщения при повреждении основного канала – маршрутизация сообщений.
На канальном уровне:
1. Помехозащищѐнное кодирование сигналов с датчиков;
2. Декодирование сигнала, обнаружение ошибок с исправлением, квитирование сообщений, синхронизация кадров;
3. Согласование полосы частот и уровней сигналов УТМ и канала связи
(модемы и т.п.), формирование сигналов приѐма/передачи, контроль качества и синхронизация приѐмника и передатчика.
На физическом уровне:
Функции физического уровня определяются видом физической среды, которая служит для передачи сигналов между передающим и приѐмным устройствами ТМ.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №2 «Функции телемеханики»
27
Основные виды каналов связи, применяемые в энергетике для систем телемеханики, следующие:
1. Собственные подземные или подвесные кабели связи;
2. Проводные воздушные линии связи;
3. Арендованные телефонные (телеграфные) линии и каналы связи;
4. Радиоканалы УКВ;
5. ВЧ каналы по высоковольтным линиям электропередачи (35 кВ и выше) и каналы тональной частоты по силовым распределительным электрическим сетям 10 кВ и ниже;
6. Оптико-волоконные линии и т.д.
Физические параметры сигналов, передаваемых по этим каналам, допустимые уровни отношения сигнал/помеха и другие характеристики регламентируются стандартами.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
28
ЛЕКЦИЯ 3.
Телемеханические сообщения
ПЛАН ЛЕКЦИИ
3.1. Телемеханическое сообщение и его характеристики
3.2. Телемеханический канал связи и условия обеспечения передачи сигнала
3.3. Виды сигналов и их характеристики
3.4. Преобразования сигналов
3.5. Модуляция сигналов
3.6. Амплитудная модуляция
3.1. Телемеханическое сообщение и его характеристики
3.1.1. Телемеханическое сообщение
Телемеханические сообщения (см. рисунок 3.1) – это содержание передачи телемеханических систем: сведения о значениях контролируемых параметров (телеизмерения), о состоянии коммутационной аппаратуры
(телесигнализация), команды на включение или отключение коммутационных аппаратов (телеуправление), сведения о величине установок для регуляторов (телерегулирование) [1, 2, 4].
ИС
Пере- датчик
ЛС
Приѐм- ник
ПС
ИП
сообщение сигнал сигнал + помеха сообщение помеха
Рисунок 3.1 Упрощенная структурная схема телемеханической системы:
ИС – источник сообщений; ПС – приѐмник сообщений.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
29
Сообщение – это объект передачи (передаваемая информация). Сигнал – средство передачи сообщения (некий физический процесс соответствующий сообщению).
3.1.2. Характеристики телемеханических сообщений
1.
Достоверность сообщений – вероятность обнаружения ошибок при приѐме, вероятность исправления ошибок, вероятность приѐма ложных сообщений и т.д.
2.
Оперативность передачи сообщений.
Сообщения должны передаваться в темпе управляемого процесса.
Режим реального времени определяет допустимые задержки и запаздывания при передаче телемеханических сообщений;
3.
Эффективность использования канала связи.
ТМ должна занимать минимальный объѐм канала связи, с тем, чтобы по данному каналу передавать максимум сообщений.
Объѐм канала связи можно определить по следующей формуле:


к к
к с
n
V
F T lg P P
   
(3.1)

F
к
– ширина полосы частот канала;
T
к
– время занятости канала;
P
с
/P
n
– отношение уровней мощности сигнал/шум.
4.
Информативность сообщений.
Сообщения должны содержать новые сведения, т.е. информацию.
3.2. Телемеханический канал связи и условия обеспечения передачи
сигнала
3.2.1. Телемеханический канал связи
Телемеханический канал связи (ТМ КС) – это совокупность технических средств для передачи информации от одного источника сообщений (см. рисунок 3.2).

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
30
ИС1
ИС2
К1
К2
Пере- датчик
ЛС
Приѐм- ник
ДК1
ДК2
ПС1
ПС2
Физический уровень
Канальный
Транспортный уровень
Рисунок 3.2 Телемеханический канал связи:
К1, К2 – кодирующие устройства; ДК1, ДК2 – декодирующие устройства.
3.2.2. Классификация каналов и линий связи
Линии и каналы бывают электрические и неэлектрические (по физической природе): электрические – проводные, радио; неэлектрические – оптика, акустика, гидравлика, пневматика, механика. В простейших случаях каналы – проводные линии (кабеля, провода). При этом линия и канал совпадают.
Каналы связи бывают односторонними
(симплексными) и двухсторонними (дуплексными).
По диапазону частот различают КС:
0-300 Гц – подтональный диапазон;
300-3400 Гц – тональный (ТМ);
3,5-6 кГц – надтональный; более 6 кГц – ВЧ – телефония и ТМ.
ЛС: воздушные линии: 10-30 кГц; медные: до 150 кГц; линии электропередач (ЛЭП): 50-500 кГц.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
31 3.2.3. Условия обеспечения передачи
1.
Ёмкость канала (V
к
) дольше объѐма сигнала (V
с
) – главное условие: к
с
V
V

(3.2)
2.
Диапазон частот канала (

F
к
) больше диапазона сигнала (

F
с
): к
с
F
F
  
(3.3)
3.
Время занятости канала (T
к
) больше времени передачи сигнала (T
с
): к
с
T
T

(3.4)
3.3. Виды сигналов и их характеристики
В телемеханике чаще всего применяются электромагнитные колебания в виде переменного тока и импульсов.
3.3.1. Переменный ток


( )
sin
m
i t
I
t


  
,
(3.5) где
2 f
  
– угловая частота; I
m
– амплитуда;

– фаза.
Нести информацию может I
m
, f,

. Их изменение называется модуляцией.
3.3.2. Импульсы постоянного и переменного тока
Импульс в телемеханике
– кратковременное воздействие электрического тока (см. рисунок 3.3). Импульсы постоянного тока –
видеоимпульсы. Импульсы переменного тока – радиоимпульсы.
Характеристики импульсов:
1.
Амплитуда и длительность.
T
t
τ
видеоимпульсы
τ
i
t
радиоимпульс
Рисунок 3.3

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
32
Длительность (τ) – время, в течение которого мгновенное значение тока или напряжения больше половины амплитуды (для постоянного тока), или огибающая заполняющих импульсов (для переменного тока).
2.
Период (T) и скважность (q), коэффициент заполнение (γ)
;
T
q
T


 

(3.6)
3.
Диапазон частот
F

 

,
(3.7) где µ – коэффициент формы – связь между действующим и средним значениями. Для миандра µ = 1.
4.
Спектр из гармоник с А
k
, f
k
, и
k

, где k – индекс.
3.4. Преобразования сигналов
Любое изменение носителя информации под воздействием сообщения называется преобразованием [2].
Преобразования бывают линейные и нелинейные.
Линейные преобразования происходят без потери информации. Такие преобразования используются при измерениях (термопара → термоЭДС).
Нелинейные преобразования происходят с потерей информации. Такие преобразования в основном цифровые с дискретизацией по уровню.
Кодирование – нелинейное преобразование – универсальный способ отображения информации, предназначен для передачи, хранения, обработки в виде системы соответствий между элементами дискретных сообщений и сигналов
Применительно к ТМ: кодирование – это преобразование дискретных сообщений в дискретные сигналы в виде комбинации импульсов по определѐнной системе данного кода.
Модуляция – это образование сигнала путѐм изменения параметров переносчика под воздействием сообщения.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
33
3.5. Модуляция сигналов
Модуляция бывает непрерывная и импульсная.
В непрерывной модуляции переносчиком сообщения является синусоидальный сигнал – «несущая». Так как синусоидальный сигнал характеризуется такими параметрами, как амплитуда, частота и фаза, то существуют три основных вида непрерывной модуляции:
1.
Амплитудная модуляция (АМ).
2.
Частотная модуляция (ЧМ).
3.
Фазовая модуляция (ФМ).
Существуют разновидности этих модуляций (рассмотрим подробнее на следующих лекциях), а также их комбинации – многократные модуляции.
В импульсной модуляции переносчиком сообщения является серия импульсов, характеризующаяся рядом параметров: амплитудой, длительностью, положением во времени, числом импульсов и т.д.
Преимущества модуляции (по сравнению с немодулированным сигналом):
1.
Возможность увеличения каналов на одной линии связи.
2.
Рост достоверности передаваемой информации при использовании помехоустойчивых методов модуляции.
3.
Повышение эффективности излучения сигнала при передачи по радиоканалу.
4.
Повышение эффективности каналов связи и удешевление передачи сообщений.
3.6. Амплитудная модуляция
Амплитудной модуляцией (АМ) называют образование сигнала путѐм изменения амплитуды гармонического колебания
(«несущей») пропорционально мгновенным значениям напряжения или тока другого, более низкочастотного электрического сигнала (сообщения).

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
34
Пусть
 
с
( )
cos
U t
U
t




– сигнал сообщения,
 
o
0
( )
cos
n
U t
U
t




–
«несущая».
Под воздействием сообщения на амплитуду «несущей» ам
( )
U
t образуется новое колебание, в котором изменяется только амплитуда (см. рисунок 3.4):
 
амс ам
0
( )
( ) cos
U
t
U
t
t



(3.8)
U
Ω
U
Ω
U
max
U
min сообщение несущая
АМ
U
o
Рисунок 3.4 Амплитудная модуляция
Амплитуда «несущей» будет изменяться по линейному закону:
 
 


ам o
с o
o
( )
( )
cos
1
cos
U
t
U
k U t
U
k U
t
U
m
t





 

 

 

  

,
(3.9) где k – коэффициент пропорциональности, а max min o
max min
U
U
m
k U
U
U
U



 


(3.10)

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
35
– относительное изменение амплитуды
«несущей», называемое коэффициентом модуляции или глубиной модуляции.
Подставив в выражение (3.8) значение амплитуды «несущей» (3.9) получим:
 


 
 




амс o
0
o o
o
0 0
0
( )
1
cos cos cos cos cos
2 2
U
t
U
m
t
t
U
U
U
t
m
t
m
t





  
 
 


  

    

  
, (3.11) где


o
0
cos
2
U
m
t



  
– верхняя боковая составляющая,


o
0
cos
2
U
m
t



  
– нижняя боковая составляющая.
3.6.1. Спектр частот при амплитудной модуляции
U
F
Ω
U
Ω
F
Ω
m/2 U

0
F
Ω
F
Ω
U

0
m/2 U

0
ΔF
F

0
+ F
Ω
f
Рисунок 3.5 Спектр частот при амплитудной модуляции в случае
 
с
( )
cos
U t
U
t




U
ΔF
f верхняя боковая
F

0
ΔF

0
нижняя боковая
(F

0
+ F
Ω
max
)
(F

0
+ F
Ω
min
)
(F

0
- F
Ω
min
)
(F

0
- F
Ω
max
)
ΔF
Ω
F
Ω
min
F
Ω
max
Рисунок 3.6 Спектр частот при амплитудной модуляции

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
36 3.6.2. Разновидности амплитудной модуляции
В зависимости от того, передаѐтся ли весь спектр АМ колебания или только его часть, различают два способа АМ:
1.
Амплитудная модуляция с двумя боковыми полосами (АМ с ДБП).
Передаѐтся весь спектр частот. Ширина полосы частот (

F
ам
) – 2 частоты сигнала (F

): ам
2
F
F


 
(3.12)
В общем случае (передача сообщения в полосе частот F

min
– F

max
) в спектре появляются 2 боковые полосы: ам
2
F
F


  
(3.13)
2.
Однополосная амплитудная модуляция (АМ с ОБП).
При АМ с ОБП полоса частот передаваемого сообщения переносится в область высоких частот без расширения общей полосы пропускания, т.е.: обп
F
F


 
(3.14)
Преимущества АМ с ОБП:
1.
Сокращение полосы частот → рост числа каналов.
2.
Сокращение мощности передатчика и рост мощности в передаваемой полосе.
3.
Большая помехоустойчивость.
Недостаток: сложность приѐма, т.к. не передаѐтся «несущая».

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №3
«Телемеханические сообщения»
37